劉 鳴，劉 軍，龔壁衛(wèi)，牟 偉

(1.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010；2.中國水利水電第三工程局有限公司，西安 710016)

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水泥改性膨脹土施工工藝關鍵技術

劉 鳴1，劉 軍1，龔壁衛(wèi)1，牟 偉2

(1.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010；2.中國水利水電第三工程局有限公司，西安 710016)

針對膨脹土水泥改性處理施工技術中出現的問題，在總結相關文獻及參考石灰改性膨脹土工法的基礎上，通過膨脹土水泥改性施工工藝現場試驗，對施工中3個關鍵技術(開挖料高含水率速降、開挖料超徑土團破碎、改性土填筑施工時效性)進行了系統(tǒng)研究。對于現場施工中采用的破碎機、旋耕機、條篩、機械組合等碎土施工工法，分析比較了土團破碎效果、工程適用性以及水泥摻拌均勻程度；總結得出了膨脹土含水率速降施工方法、土團破碎施工方法以及水泥改性土填筑施工要求。研究成果可為改性膨脹土工程施工工藝提供借鑒。

水泥改性膨脹土；施工工藝；含水率速降；土團破碎；EDTA滴定

1 研究背景

針對膨脹土礦物化學組成與微結構，為改善其不良工程特性，通常處理方法有換土法、濕度控制法、樁基礎法和化學改良法，其中化學改良法是通過在膨脹土中摻加有機類或無機類改良劑，降低膨脹土的膨脹性[1]。目前使用較多的無機類改良劑有石灰、水泥等。

近年來隨著膨脹土研究的發(fā)展，在改良膨脹土方面所取得的技術進展主要有：石灰改性膨脹土，使膨脹土的性能大為改善，將改性后的膨脹土作為公路路基填料，滿足規(guī)范要求[2]；粉煤灰改性膨脹土改善了膨脹土的不良特性[3]；水泥改性膨脹土的脹縮特性試驗表明，水泥改性對降低膨脹潛勢有顯著效果。無側限抗壓強度、壓縮等力學性質試驗表明，水泥改性能起到抑制膨脹土強度軟化、模量減小等作用[4]；在石灰、普通水泥改良膨脹土比較研究中，得出水泥改性膨脹土拌和施工工藝較石灰改性困難，但改性效果比石灰土要明顯[5]等結論。

上述技術為膨脹土的改性提供了多種方式，但在現場施工工藝方面還缺少研究，主要有以下2個方面的原因：

(1) 膨脹土開挖料進行水泥摻拌施工中，較為困難的是拌合的均勻性。這主要受2個因素影響，一是開挖土料含水率偏高，可達32%以上，水泥摻拌時，水泥易聚集，不易分布均勻；二是開挖土料常存在大量20～40 cm超徑土團，膨脹土屬于高液限黏土，透水性差，水泥摻拌的過程中，土團內部無法摻入水泥。

(2) 水泥改性土碾壓施工，不同于常規(guī)土方填筑，要控制好碾壓填筑施工時間，歷時過長，易破壞改良土顆粒膠結強度，同時增加土料含水率損耗，影響壓實密度等。

膨脹土開挖料高含水率和大量超徑土團是直接影響改性劑拌和均勻的主要因素。在文獻[6]與文獻[7]論著中，提到石灰改良膨脹土采用路拌法的“二次摻灰”施工工藝，基本解決了開挖料高含水率降低和超徑土團破碎的難題。所謂“二次摻灰”施工工藝，簡單來說就是摻灰分2次進行，第1次摻少量灰使膨脹土砂化，易于土團破碎和降低土料含水率，然后在此基礎上再進行第2次摻灰。該施工工藝仍存在費工、費時、易破壞土顆粒膠結結構等問題。

南水北調工程涉及膨脹土(巖)地層長達380 km，需要進行膨脹土改性。如果土料含水率降得過低、土團破碎過細，則需要投入過高的施工成本。如果借鑒“二次摻灰”施工工藝，對于如此大的工程量，難以保證施工進度、施工質量要求。鑒于此，國家“十二五”科技支撐計劃“南水北調中線工程膨脹土和高填渠道建設關鍵技術研究與示范”項目中將“膨脹土水泥改性處理施工技術”(2011BAB10B05)專門列入子課題，從而開展施工工藝研究。2012—2013年期間，在河南省鎮(zhèn)平1標(樁號52+100至64+100)開展了水泥改性處理施工工藝的現場試驗研究，主要內容為水泥改性施工中含水率速降、土團破碎、改性土擱置(或悶料)時間等施工工藝。本文介紹該項試驗研究的基本情況和成果，并總結出了一套膨脹土改性施工方法。

2 含水率速降施工工藝

開挖土料含水率高，通常采用自然翻曬降低含水率方法，比如：在多風地段采用“土堆過風法”；在土料場，采用“犁耕法”就地晾曬，然后再按犁耕深度進行開挖；在土料場，開挖“通風槽”，加速土體失水?，F場試驗表明，如果采用自然翻曬降低土料含水率，一晝夜也僅能降低3%，效率較低。

為了提高翻曬的效率、加快土料含水率降低的速度，引用了一種旋耕機進行翻曬試驗(見圖1)，取得了顯著的效果。旋耕機屬耕耘使用的農具，與拖拉機配套一次完成耕、耙、翻曬、碎土作業(yè)。旋耕機安裝的刀頭長15 cm，間距30 cm，具有較強翻曬、碎土能力?，F場試驗按場地約20 m×20 m，單次循環(huán)作業(yè)間隔時間約40 min，旋耕土有效深度約15 cm，鋪土厚度20 cm，其成果如表1所示。

圖1 現場試驗旋耕機碎土翻曬Fig.1 Smashing large size of soil aggregate by rotavator and tedding soil in sunshine

溫度/℃翻曬遍數含水率/%試驗間隔時間23～28028.4226.1423.2621.7820.01019.81219.0整個試驗累積耗時約8h,單次循環(huán)間隔40min

試驗表明土料為直接開挖料，起始含水率為28.4%，排除大氣溫度差異，旋耕機翻曬0,2,4,6,8,

圖2 旋耕機旋耕遍數與土料含水率關系Fig.2 Relationship between moisture content of soil and rotary times of rotavator

10,12遍，分別檢測翻曬土塊級配和含水率，整個試驗累積耗時8 h完成。當旋耕翻曬第8遍時，土料含水率已降至20.0%，接近該土料塑限值，耗時5～6 h。再進一步翻曬開挖土料，含水率繼續(xù)降低卻很有限，如翻曬12遍的含水率相對翻曬8遍僅降低1.0%。

此外，現場施工時可根據圖2得到任何含水率對應的翻曬次數，亦即可得到某土料需降低含水率所需旋耕翻曬的次數和耗時，這對于工程施工具有一定的指導意義。

3 超徑土團破碎施工工藝

3.1 開挖土料基本情況

開挖膨脹土料存在大量超徑尺土團，如圖3所示，經現場取代表性土樣進行篩分，測得團徑分布曲線如圖4所示。團徑是指土團最短邊的長度。從其平均線看，>100 mm超大團徑占總質量60%以上，<5 mm僅為5%左右。

圖3 膨脹土料開挖超徑尺土團Fig.3 Oversize soil aggregate in the excavation of expansive soil

圖4 開挖土料土團團徑分布曲線Fig.4 Grading curves of excavated soil

經檢測，開挖土料天然含水率為21.0%～32.6%，黏粒含量為36.5%，塑性含水率Wp=21%，塑性指數為24.6，自由膨脹率為50%，最大干密度為1.71 g/cm3，最優(yōu)含水率為20%。

3.2 機械碎土

3.2.1 破碎機功效

現場采用的土壤破碎機為XTP-600A型銑削式破碎機(圖5)，設計碎土功效200～300 m3/h，其工作原理是在高速旋轉的破碎刀鼓上安裝多組拆卸式硬質合金刀頭，對土塊進行高速銑削，并達到強制篩分的目的。

圖5 XTP-600A型銑削式土壤破碎機Fig.5 XTP-600A soil crusher with milling cutter

現場試驗表明，如將開挖土料直接輸入到破碎機碎土，極易造成機械堵塞，功效低下，如圖6所示。主要有2個方面的原因：①超大土團易造成料斗卡死，機械無法連續(xù)運轉；②碎土機械內高速旋轉的破碎刀鼓上安裝的是刀頭，由于土料含水率高，土塊、土團多，易將高塑性土擠壓成面餅狀導致機器堵死。

圖6 XTP-600A型銑削式土壤破碎機料斗淤堵Fig.6 The stucked hopper of XTP-600A soil crusher by soil aggregate

試驗中進行了土料含水率與破碎機功效試驗，料源是利用旋耕機翻曬后含水率逐步降低的碎土，成果匯總如表2所示。

表2 旋耕機翻曬遍數、含水率、破碎機功效匯總

可見，當旋耕機翻曬遍數增至8遍，含水率降低至20.0%，低于土料塑限值，破碎機功效達到100 m3/h；當含水率降低至19%，破碎機功效達到150 m3/h，仍低于設計碎土額定功效200 m3/h。也就是說，采用破碎機碎土，要求土料含水率至少要低于塑限Wp以下，如要實現滿負荷碎土功效，土料含水率應要降低至Wp-2%以下。

3.2.2 拌和機功效

現場采用WC600型拌和機進行水泥拌和施工，如圖7所示。拌和原理類似碎土機，機械在拌和過程實際上也有一定程度碎土功效?，F場試驗表明，摻拌土料含水率不能超過Wp+2%，一方面拌和機由于黏土相互依附、粘連，使機械負荷過重易導致電機燒毀，機械時常清理，生產效率低下；另一方面含水率過高，水泥拌和不易均勻。為了達到拌和機生產功效(120 m3/h)，土料進入拌和機前含水率應控制在塑限Wp以下。

圖7 WC600型拌和機Fig.7 WC600 mixer

3.3 旋耕機碎土

在進行旋耕機翻曬試驗時，土料含水率降低同時，土團得到破碎，各翻曬遍數下土團團徑分布如圖8所示。

圖8 旋耕機碎土前后土團團徑分布曲線Fig.8 Grading curve of soil aggregate before and after the breakage by rotavator

試驗成果表明：開挖料土團團徑分布，以>50 mm團徑含量為主，占73%，而50～5 mm和<5 mm含量則分別為23%和4%。當旋耕機旋耕翻曬4遍后，>50 mm團徑含量降至20%，50～5 mm土團團徑含量為69%，<5 mm含量為17%；當旋耕機翻曬8遍后，中間團徑50～5 mm含量達79%，>50 mm含量僅4%；當旋耕機翻曬10遍以上，基本沒有>50 mm團徑含量。由此說明，旋耕機在粉碎50 mm以上超大土團團徑方面效果明顯，粉碎后的團徑以中間團徑50～5 mm含量為主。當旋耕機翻曬6遍以上后，土團團徑進一步破碎細化的效果開始減緩。

3.4 條篩碎土

如上所述，旋耕機翻曬12遍以上，土料含水率降低19%以下，碎土機碎土功效可提高到200 m3/h，碎土功效仍然不高。為此，現場試驗還嘗試采用了另一種碎土工法——條篩碎土施工。

條篩為工型鋼蓖結構，篩網間距10 cm，長6 m、寬4 m、高5 m。圖9為型鋼條篩施工圖。施工原理為：利用反鏟抓斗提升高度，將土料拋下，自重過篩，使土塊、泥團經條篩碰撞進行粉碎。開挖料土塊通過條篩破碎后，基本上沒有團徑大于100 mm的團塊，條篩碎土前后土團團徑分布曲線如圖10和表3所示。

圖9 型鋼條篩現場施工圖Fig.9 Site construction of steel strip sieve

圖10 條篩碎土前后土團團徑分布曲線Fig.10 Grading curves of soil aggregate before and after the breakage by strip sieve

試驗成果表明，就土團團徑分布的平均線而言，比較開挖料>100 mm,100～50 mm,50～5 mm土團團徑含量分別為60%,12%,23%，條篩碎土后，>100 mm土團團徑含量降為0，團徑含量主要集中在50～5 mm

表3 條篩碎土、旋耕機翻曬土團分布成果對比

范圍，含量為73%，與旋耕機翻曬6～8遍土團團徑分布曲線基本接近。條篩碎土工法最大優(yōu)點是使開挖土料超大團徑土團快速破碎，但降低含水率很有限，因此要求條篩碎土，土料含水率應控制在Wp+2%以下。

3.5 機械組合碎土

3.5.1 旋耕機+破碎機

旋耕機翻曬碎土雖然能大大減少土團超大團徑土量，但對50～5 mm中間團徑進一步破碎細化有限，因此開挖料在旋耕機翻曬基礎上，與破碎機組合再進行粉碎，試驗成果如圖11和表4所示。

圖11 破碎機碎土后土團團徑分布曲線Fig.11 Grading curves of soil aggregate after breakage by crusher

成果表明：開挖土料含水率降低至20%以下，再進行碎土機碎土，破碎土團團徑集中在50～5 mm范圍，<5 mm團徑含量增加。如，當旋耕機翻曬8遍再進行破碎機破碎，>50 mm土團含量已降至0，50～5 mm團徑含量從79%減少到65%，<5 mm團徑含量從17%增至35%；當旋耕機翻曬12遍進行破碎機破碎，50～5 mm團徑含量從79%減少到51%，<5 mm團徑含量從18%增至49%。隨著旋耕機翻曬遍數的進一步增加，50～5 mm團徑含量減少幅度及<5 mm團徑增加幅度均呈現增大趨勢，進一步說明旋耕機翻曬后，土料含水率降低，破碎機功效得到發(fā)揮。

表4 破碎機碎土前后土團團徑分布成果對比

3.5.2 條篩+拌和機

拌和機進行水泥摻拌同時，土團也得到破碎，圖12繪制了拌和機碎土前后級配曲線。

圖12 拌和機碎土前后土團團徑分布曲線Fig.12 Grading curves of soil blocks before and after the breakage by mixer

成果表明：根據圖12級配曲線，就平均線而言，條篩下20～10 mm團徑含量31%，拌和機拌和后降為16%；<10 mm團徑含量，從拌和前44%增加為65%；<5 mm團徑含量，從拌和前17%增加為37%，說明經拌和機拌和水泥后，土料土團團徑細化10%～20%。

3.6 均勻性驗證

參照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》[8]，摻拌水泥或石灰穩(wěn)定材料，其劑量的測定方法采用EDTA滴定。EDTA二鈉是乙二胺四乙酸二鈉(Ethylene Diamine Tetra Acetic Acid Disodium Salt)的簡稱，分子式為C10H14N2Na2O8。EDTA二鈉易溶于水，且與多種金屬離子形成十分穩(wěn)定的混合物，是一種重要的絡合劑。在進行EDTA滴定測試時，EDTA二鈉消耗量反映了Ca2+的含量，而Ca2+的含量又反映了土料改良劑含量，并呈線性關系。

膨脹土摻拌改性劑均勻程度，可采用標準差評定判定，即根據一組EDTA滴定測試劑量數據值，再進行標準差計算，判定其是否滿足均勻標準。標準差是反映數據離散程度最常用的一種量化形式，是表示精確度的重要指標，即反映出大部分數值和其平均值之間差異性，標準差越大，說明數據離散程度越大，反映到改良劑摻量就越不均勻。目前水泥改性膨脹土施工，設計規(guī)定標準差評定值為：弱膨脹土≤0.7，中膨脹土≤0.5。

按上述劑量測定方法和均勻性評判標準，分別對第3.3節(jié)旋耕機翻曬8遍土料和3.4節(jié)條篩碎后土，摻拌4%水泥，進行6組以上EDTA滴定測試劑量，標準差計算為0.8～1.0。由于試驗用料為弱膨脹土，按≤0.7的標準，判定不滿足摻拌均勻要求，說明僅采用旋耕機和條篩碎土，雖能一定程度破碎開挖料超大團徑土團和降低含水率，但破碎程度仍不夠，不足以使水泥摻拌達到均勻。如果將旋耕機翻曬或條篩碎土+機械碎土組合，碎土后同樣摻4%水泥，進行EDTA滴定標準差評定，其結果均在0.2～0.6范圍，低于標準值0.7。由此，說明機械組合碎土后，土料團徑和含水率能滿足水泥摻拌均勻性要求。

4 水泥改性土施工時效性

由于水泥摻入土體中會產生一系列物理化學反應形成改性土，如果改性土到碾壓填筑階段擱置(或悶料)時間過長，會影響土體強度特性，主要原因是水泥水化反應產生的，附著在顆粒表面凝膠物質在壓實過程會破壞土顆粒膠結，這對改性土碾壓填筑后強度、密度極為不利。另外，土料在摻灰后水泥土化學反應產生大量的熱量，加速了水分蒸發(fā)，這種蒸發(fā)對土的含水率損失比自然蒸發(fā)更為嚴重。因此，如果改性土擱置(或悶料)時間過長，到碾壓填筑時，土體含水率難以保持在最優(yōu)含水率附近，就直接影響到碾壓密實程度。

4.1 試驗方案

水泥改性土料拌和后到開始碾壓施工，分別按2，3，4，5，6 h擱置時間進行，施工碾壓機具為20 t凸塊振動碾，碾壓虛鋪30 cm，每時段均碾壓6遍即檢測密度、含水率。具體試驗方案見表5，圖13顯示現場施工場景。

4.2 成果分析

試驗成果如圖14所示，水泥改性土擱置4 h干密度、含水率開始出現明顯下降，擱置6 h后下降開始加速，干密度從1.74 g/cm3降到1.7 g/cm3，相差0.04 g/cm3；含水率從22.7%降至20.9%，減少近2%；如果擱置時間從6 h延至8 h，2 h內干密度將減小近0.05 g/cm3，含水率下降近1.9%。由此可見，為避免水泥拌和擱置時間過長，而導致改性土料砂化嚴重和含水率損失，水泥拌和后改性土應在4 h內完成碾壓填筑施工。

表5 改性土施工時效碾壓試驗參數組合

圖13 時效性試驗現場碾壓場景Fig.13 Test of time effect of in-situ rolling compaction

圖14 水泥改性土填筑施工擱置時間與干密度、含水率關系Fig.14 The relations of time interval of cement mixing and rolling compaction for expansive soil vs. dry density and water content

5 結 語

通過現場試驗，對水泥改性施工中開挖土料高含水率降低方法、土團破碎方法、水泥拌合均勻性和水泥改性土施工時效性等施工技術和工藝進行了初步的研究，得到以下認識和結論：

(1) 含水率速降施工方法。自然翻曬降低土料含水率速度較慢，采用旋耕機法，按20 m×20 m場地，開挖土料初始含水率從25%～28%，一次作業(yè)時間(旋耕翻曬+間隔時間)30～40 min，經旋耕機翻曬5～8遍后，含水率能降至塑限值內。

(2) 土團破碎施工方法。對于膨脹土開挖料存在超大土團，如含水率遠高于塑限Wp的情況，采用通常的破碎機碎土，無法實現有效碎土功效。采用旋耕機翻曬或條篩碎土(條篩篩網間距為10 cm，篩高5 m)+機械組合施工，克服了機械碎土的缺陷，大大提高了降低土料含水率和破碎土團功效，減少了施工難度。開挖料碎土施工工法如下：①天然含水率≤Wp,直接采用機械碎土。②Wp+2%>天然含水率>Wp,采用條篩+機械組合碎土；③天然含水率>Wp+2%,采用旋耕機+機械組合碎土。根據旋耕機遍數與土料含水率關系圖估算旋耕次數。該碎土施工工法，經EDTA滴定測試及標準差評判，可滿足水泥拌和均勻性要求。

(3) 水泥改性土填筑施工要求。為避免水泥改性土擱置時間過長，使得水泥水化反應在顆粒表面產生的凝膠物質在壓實過程破壞，以及水化反應產生的大量熱量加速土料水分蒸發(fā)損耗，導致改性土料填筑強度、壓實密度降低，要求水泥拌和后改性土應在4 h內完成碾壓填筑施工。

同時，為了彌補水泥水化反應土料水分蒸發(fā)損耗，要求土料含水率在Wp+1%～Wp+2%基礎上，再增加2%水量，這與拌和機要求土料含水率不高于Wp相矛盾。為此，水泥拌和施工工序為：碎土后含水率仍控制在Wp以下，輸入拌和機后，應先進行水泥拌和，均勻后再進行增補3%水分。

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(編輯：黃 玲)Key Technologies in the Construction ofCement-improved Expansive Soil

LIU Ming1，LIU Jun1，GONG Bi-wei1，MU Wei2

(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China；2.China Water Conservancy and Hydropower Third Engineering Bureau Ltd.， Xi’an 710016, China)

In order to solve problems in the cement-improved treatment for expansive soil, we conducted a field test of the construction techniques according to summary of relevant literatures and construction method of expansive soil improved by lime. Furthermore, three key methods in construction were studied, including reduction of high water content in the excavated soil, breakage of oversize soil aggregate, and time effect of filling construction of cement-improved expansive soil. Then, uniformity of blending cement and the applicability and feasibility of construction process using crusher, rotavator, strip sieve, machine combination ,etc were systematically analyzed.Finally, a construction method for improving expansive soil by cement was put forward. The results can provide

for the construction techniques of improving expansive soil.

cement-improved expansive soil；construction technology；reduction rate of moisture content；breakage of soil aggregate；EDTA titration

2014-07-17；

2014-10-22

國家“十二五”科技支撐計劃項目(2011BAB10B05)

劉 鳴(1963-)，男，浙江奉化人，高級工程師，主要從事巖工工程試驗、安全監(jiān)測等方面的研究工作，(電話)18627112217(電子信箱)lmoyq6763@sina.com。

10.11988/ckyyb.20140593

2016,33(01):89-94，100

TU443

A

1001-5485(2016)01-0089-06